基于PLC的变频恒压供水设计(5)

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第5章 系统的硬件设计

5.1 系统主要设备的选型

5.1.1、 变频器的选型

变频器是本系统控制执行机构的硬件，通过频率的改变实现对电机转速的调节，从而改变出水量。变频器的选择包括变频器的型式选择、容量选择和变频器箱体结构的选择三个方面。其总的原则是功能性能保证可靠地满足工艺要求，其次是获得较好的性能价格比。

1、变频器的型式选择

根据控制功能可将通用变频器分为三种类：普通功能型U/F控制变频器、具有转矩控制功能的高性能U/F控制变频器和矢量控制高性能型变频器。通用变频器类型的选择根据负载特性进行。对于风机、泵类等平方转矩，低速下负载转矩较小，通常可选择专用或普通功能型通用变频器。对于恒转矩类负载或有较高静态转速精度要求的机械应选用具有转矩控制功能的高功能型通用变频器，这种通用变频器低速转矩、静态机械特性硬度大，不怕负载冲击，具有挖土机特性。

2、变频器容量选择：

变频器的容量可从三个角度表述：额定电流、可用电动机功率和额定容量。其中后两项变频器生产厂家由本国或本公司生产的标准电动机给出，或随变频器输出电压而降低，都很难确切表达变频器的能力。选择变频器时，只有变频器的额定电流量是一个反映半导体变频器装置负载能力的关键量。负载电流不超过变频器额定电流是选择变频器容量的基本原则。

3、变频器箱体结构的选用

变频器的箱体结构要与环境条件相适应，所以必须考虑温度，湿度，粉尘，酸碱度，腐蚀性气体等因素，这些因素与能否长期安全、靠运行有很大的关系。常见有下列几种结构类型可供设计中选用：

（1）敞开IP00型：本身无机箱，可装在电控箱内或电气室内的屏，盘，架上，尤其适于多台变频器集中使用，选用这种型式较好，但环境条件要求较高。

（2）封闭IP20型：适用一般用途，用于有少量粉尘或少许温度变化的场合。 （3）密封IP45型：适于工业现场条件较差的环境。

（4）密封IP65型：适于环境条件差，有水、灰尘及一定腐蚀性气体的场合。 根据以上理论，选用西门子MicroMaster430型变频器。MicroMaster430变频器适合用于各种变速驱动装置，由于其灵活性而可以在广泛的领域得到应用，所以这种变频器尤其适合用于工业部的水泵和风机的驱动。它具有很高的运行可靠性和功能多样性。其脉冲宽度调制的开关频率是可选的，因而降低了电动机运行的噪声，在应用中得到证明的良好性能和使用中的简便舒适。与MicroMaster420变频器相比，这种变频器具有更多的输入和输出端，具有手动/自动切换功能的操作面板，以及适应软件的功能。该变频器具有以下特性，如表5-1所示。

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表5-1 MICROMASTER430变频器的额定性能参数表

5.1.2、可编程序控制器选型

PLC是整个变频恒压供水控制系统的核心部件，合理选择PLC对于保证整个控制系统的技术指标和质量至关重要的。选择PLC应包括PLC机型、容量等的选择。

1、PLC机型选择

在选择PLC机型时，要考虑PLC的指令执行速度、指令丰富程度、内存空间、通讯接口及协议、带扩展模块的能力和编程软件的方便与否等多方面因素。由于恒压供水自动控制系统控制设备相对较少，因此PLC选用德国SIEMENS公司的S7-200型。S7-200型PLC的结构紧凑，价格低廉，具有较高的性价比，广泛适用于一些小型控制系统。 2、PLC容量的选择

PLC的容量包括I/O点数和用户存储容量两个方面。 （1）、I/O点数选择：由于PLC平均的I/O点数价格比较高，所以在满足控制要求的前提下力争使用I/O点最少，但必须留有一定的裕量。通常I/O点数是根据被控对象的输入、输出信号的实际需要，再加上10%—15%的裕量来确定。 （2）、存储容量的选择：PLC的I/O点数的多少，在很大程序上反映了PLC系统的功能要求，因此可在I/O点数确定的基础上，按存储容量（字节）=开关量I/O点数×模拟量I/O通道数×100，再加上20%—30%的裕量。

根据系统要求和功能，PLC选用西门子S7-200系列的CPU224型。CPU224本机集成了14点输入和10点输出，共有24个数字量I/O。它可连接7个扩展模块，最大扩展至168点数字量I/O点或35路模拟量I/O点。CPU224有13K字节程序和数据存贮空间，6个独立的30KHZ高速计数器，2路独立的20KHZ高速脉冲输出，具有PID控制器。CPU224配有1个RS-485通讯/编程口，具有PPI通讯、MPI通讯和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的小型控制器。

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5.1.3、水泵及其电动机的选择

工作水泵型号和台数的选择，应根据逐时、逐日、逐季的用水量变化，要求的水压，机组的效率和功率因素等确定。

水泵和电动机是供水系统的重要组成部分，水泵选择恰当与否和动力费用有很大的关系，故须加以重视。选泵时，首先要满足供水系统的要求：

1) 水泵扬程应大于实际供水高度。

2) 水泵流量总和应大于实际最大供水量。 3) 水泵能力足以供应最高用水量时的用水量，扬程应在该泵特性曲线的高效工作区内，以减少耗电量。

4) 水泵型号应使泵站建筑面积和泵站的基础埋深为最小，以降低泵站造价。 5) 水泵构造应使泵站内管线简单，以减少水头损失。 6) 安装管理方便。

安装卧式离心泵的泵站，平面尺寸较大而高度较低；立式轴流泵的泵站，情况正好相反，泵站的高度较大而平面尺寸较小。因此在深埋式的地下泵站可优先考虑立式泵，半地下式和地面式泵站可用卧式泵。

选用多台水泵时，水泵的型号最好相同，这可便于安装和维修养护管理。在此例中要求三台主泵和主泵电机型号和容量要相同，这才有利于在同一变频器下正常的工作。大泵的效率比小泵高；而且用大泵时，工作泵和设备的费用以及泵站的面积常可减小；因此不可只从适应水量的变化出发，使用数量较多的小泵。使用多台水泵供水可防止一台水泵出现故障时，停止供水使得系统瘫痪。一般最优的水泵台数为3～6台。 5.1.4、压力传感器的选择

压力传感器和压力变送器是将水管中的压力信号变成1-5V或4-20mA的模拟量信号，作为模拟输入模块(A/D模块)的输入，在选择时，为了防止传输过程中的干扰与损耗，我们采用4-20mA输出压力变送器，所以选择CYYB-120系列压力变送器它采用CYYB-105系列压力传感器的压力敏感元件。经后续电路给电桥供电，并对输出信号进行放大、温度补偿及非线性修正、V/I变换等处理，对供电电压要求宽松，具有4～20mA标准信号输出。

5.2 系统电路设计 5.2.1 主电路图

电气控制系统主电路图如图5-2所示。图中，M1#， M2#， M3#， M4#为四台水泵电机，KM1，KM2，KM3，KM4，KM5，KM6，KM7，KM8为控制四台电机的接触器，FR1，FR2，FR3， FR4为电机M1#，M2#，M3#，M4#过载保护用的热继电器，QF1、QF2、QF3、QF4、QF5、QF6为空气开关。

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ABCNQF1L1L2L3QF3QF4QF5QF6QF2RST KM2KM4KM1KM6KM8MM430变频器UVWKM3KM5KM7FR1FR2FR3FR4M1#M3~M2#M3~M3#M3~M4#M3~ 图5-2主电路图

5.2.2控制电路图

本系统的电气控制线路如图5-3所示。图中，SA为手动/自动转换开关，在手动状态可以按动按钮SB1～SB10控制四台泵的起停，在自动状态时，根据PLC的程序运行，自动控制泵的起停。HL1～HL8为各种运行指示灯。中间继电器KA1的一个常开触点接PLC的输入点I0.2，控制自动状态的起动；中间继电器KA1的三个常闭触点接在四台泵的手动控电路上，控制四台泵的手动运行。FRl～FR4为四台泵机的热继电器的常闭触点，可对电机进行过流保护。

NQF7L1SA1324KA1KA1KA1KA1Q0.0Q0.1Q0.2Q0.3Q0.4Q0.5Q0.6Q0.7KM5KA2SB1KM2KM5SB3KM4KM1SB5SB7KM6KM5SB8SB10SB9KM8HL2HL3HL4HL5HL6HL7HL8KM1KM3KM2KM3KM4KM5KM6KM7FR1FR2FR3KM1HL1KM2KM3KM4KM5KA1SB2KM1SB4KM3SB6KM2KM1KM4KM3KM6KM5KM6KM8KM7KM7KM8FR4

图5-3控制电路图

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5.2.3 PLC与变频器的外部接线图

1、PLC的外部接线图

本系统占用PLC的3个输入点，8个输出点，PLC的外部接线图如图5-5所示，PLC的具体I/O分配情况见表5-4：

表5-4 PLC I/0分配表

变频器上限频率信号变频器下限频率信号启动信号

1MI0.0I0.1I0.21LQ0.0Q0.1Q0.2Q0.32LQ0.4Q0.5Q0.63LQ0.7DCOMDIN1变频器运行、停止信号KM1KM2KM3KM4KM5KM6KM71号电机接变频器1号电机接工频电源2号电机接变频器2号电机接工频电源3号电机接变频器3号电机接工频电源4号电机接变频器S7 200M24VL+LN～220V图5-5 PLC外部接线图

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